馬 高, 曹瓊方, 劉 歡, 黃 靚

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南大學(xué)),湖南 長(zhǎng)沙 410082)

傳統(tǒng)城市的路面大多采用不透水路面，當(dāng)雨水降落時(shí)，主要通過(guò)泵站、管渠等“灰色”設(shè)施來(lái)進(jìn)行排水，這種人工行為的集中排水機(jī)制很容易引起城市的內(nèi)澇現(xiàn)象。與不透水路面比較而言，透水路面是一種較為分散的排水機(jī)制，從雨水產(chǎn)生徑流的源頭著手，逐步降低雨水徑流對(duì)路面造成的環(huán)境影響。我國(guó)住建部頒布出臺(tái)的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》[1]指出，建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市能有效提高城市排水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，緩解城市內(nèi)澇壓力，透水磚鋪裝系統(tǒng)不僅能解決城市地表硬化，還能維護(hù)城市的生態(tài)平衡。透水磚作為一種綠色環(huán)保的新型建材產(chǎn)品，不僅具有良好的透水性和保濕性，而且可以調(diào)節(jié)城市小氣候、緩解城市熱島效應(yīng)。同時(shí)透水磚將工業(yè)廢料、沙漠沙土等進(jìn)行二次利用，變廢為寶，對(duì)創(chuàng)建資源節(jié)約型建筑產(chǎn)業(yè)具有重要的意義。本文對(duì)透水磚的國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀、分類、制作方法與性能以及透水磚鋪裝設(shè)計(jì)等進(jìn)行了闡述，探討了我國(guó)當(dāng)前階段在應(yīng)用和研究方面存在的不足，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展提出相應(yīng)的建議和展望。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)80年代，日本“雨水滲透”計(jì)劃采用具有透水性能的混凝土、瀝青和磚體鋪設(shè)路面，至1996年初，東京的透水路面鋪設(shè)面積達(dá)495 000 m2，雨水流出率由原來(lái)的51.8%降至5.4%。美國(guó)對(duì)低影響開(kāi)發(fā)的研究與應(yīng)用也較早，無(wú)砂混凝土曾憑借其良好的滲透和儲(chǔ)水能力成為佛羅里達(dá)州、新墨西哥州和猶他州停車場(chǎng)的地面鋪設(shè)材料，以迅速緩解暴雨造成的路面徑流過(guò)大問(wèn)題[2]。美國(guó)環(huán)保局(USEPA)從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，對(duì)透水路面和傳統(tǒng)路面進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明：雖然低影響開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的安裝成本略高，但大大降低了后期雨水存儲(chǔ)的資金耗費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益更為顯著，如傳統(tǒng)停車場(chǎng)路面單位安裝成本為0.23美元，雨水存儲(chǔ)成本2.43美元/L；而鋪設(shè)多孔停車場(chǎng)路面雖單位安裝成本為0.25美元，但雨水存儲(chǔ)成本僅為0.16美元/L[3]。ALAM[4]等對(duì)多孔混凝土路面(PCP)、 聯(lián)鎖混凝土路面(PICP)和礫石聯(lián)鎖塊路面(IBPG)這3種可滲透路面(見(jiàn)圖1)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)路面相比，透水路面的峰值流量和徑流量的衰減均達(dá)到30%以上，原因是墊層和土壤中增多的集料孔隙增加了入滲；可滲透路面的類型和底層介質(zhì)對(duì)徑流的減少和滲透有顯著影響；IBPG存儲(chǔ)雨水能力最佳，而PCP緩解地表徑流效果最優(yōu)，高出傳統(tǒng)路面98%。德國(guó)《混凝土路面磚》標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，路面磚的孔隙率須達(dá)到10%以上，確保地表水的下滲。同時(shí)還可鋪設(shè)有孔的聯(lián)鎖透水混凝土磚，將土填充在磚孔中，孔洞中生出的雜草能實(shí)現(xiàn)綠化功能[5]。

(a) 多孔混凝土路面(PCP)

國(guó)內(nèi)對(duì)透水路面的研究起步較晚，20世紀(jì)90年代才發(fā)明了一種通過(guò)磚體上的孔洞實(shí)現(xiàn)滲水的路面磚。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，不透水硬化路面的弊端逐漸顯露，道路鋪設(shè)材料的選擇開(kāi)始得到重視。2002年，咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)院研發(fā)出抗折、抗壓強(qiáng)度滿足國(guó)家人行道路磚標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保陶瓷磚，其孔隙率達(dá)40%～50%[6]。隨后，國(guó)家發(fā)改委在2005年發(fā)布了由咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)院和西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院共同負(fù)責(zé)起草的透水磚行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《透水磚(JC/T 945-2005)》[7]，該標(biāo)準(zhǔn)有效推動(dòng)了透水磚行業(yè)的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)透水磚已經(jīng)開(kāi)展了較多研究，其方向主要集中在廢料的利用、配合比設(shè)計(jì)、磚體性能和鋪裝結(jié)構(gòu)等方面。

2 透水磚的特點(diǎn)和分類

透水磚作為一種高效透水路面材料，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①綠色低碳、環(huán)保利廢。透水磚大部分采用建筑廢料、陶瓷廢棄物、沙漠沙土等作為原料，可減輕工業(yè)廢料對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染并能有利于沙漠治理。②孔隙率高，透水性好。透水磚可使雨水迅速流入地下，對(duì)地下水和土壤水進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充，保持土壤的濕度。③透氣性好，多孔結(jié)構(gòu)。良好的透氣性能可使地面植物和土壤微生物的生存條件得到改善。透水磚的多孔結(jié)構(gòu)可以對(duì)地表局部空間的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使城市熱島效應(yīng)得到緩解。并且多孔結(jié)構(gòu)具備一定的吸音功能，可以減輕路面噪音污染。④緩降內(nèi)澇，蓄水節(jié)水。以“慢排緩釋”和“源頭分散”為主要規(guī)劃設(shè)計(jì)理念，透水磚鋪裝系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建“降雨-徑流-下滲-回用”的良性循環(huán)，既能有效防止內(nèi)澇，又能起到蓄水作用。⑤安全出行。透水磚表面呈現(xiàn)微小的凹凸?fàn)?，避免路面出現(xiàn)反光，且其表面摩擦系數(shù)較大，利于安全出行。

透水磚按照組成和制備工藝可分為2類[8-9]：一類是以陶瓷、固體工業(yè)廢料、建筑垃圾等為原料，經(jīng)過(guò)粉碎、成型、高溫、燒制而成的透水磚，稱為陶瓷透水磚；另一類以無(wú)機(jī)非金屬材料為主要原料，利用黏結(jié)劑成形、固化而成，無(wú)須燒結(jié)，稱為非陶瓷透水磚。

2.1 陶瓷透水磚

a.廢陶瓷為主要原料。

將陶瓷廢棄物，如燒結(jié)廢料、廢匣缽、廢窯具等，經(jīng)過(guò)重新粉碎并篩分、選取合理的顆粒級(jí)配、添加適當(dāng)結(jié)合劑，經(jīng)成型、烘干、高溫?zé)Y(jié)制成透水磚。殷海榮[10]等利用廢玻璃、陶瓷廢料和黏土為主要原料，制得尺寸為120 mm×80 mm×10 mm的高溫?zé)Y(jié)透水磚。試驗(yàn)結(jié)果表明最佳配比為陶瓷廢料、廢玻璃、黏土分別占70%、15%和15%，此時(shí)透水系數(shù)達(dá)到1.0 mm/s，抗壓強(qiáng)度為12.1 MPa。隨著燒結(jié)溫度的升高，體積密度增大，磚吸水率會(huì)下降，可通過(guò)加入滑石、氧化鋅改善透水磚的燒結(jié)性能。

b.工業(yè)固廢為主要原料。

工業(yè)固廢堆積不僅占用土地，其淋污后還會(huì)造成嚴(yán)峻的土壤和水源污染問(wèn)題。工業(yè)固廢的加工再利用已成為研究熱點(diǎn)。丁海萍[11]利用質(zhì)量比為12∶3∶5的褐煤粉煤灰、煤矸石和爐渣，在1 080 ℃高溫下制成透水磚，透水系數(shù)為1.12 mm/s，抗壓強(qiáng)度為31.2 MPa。饒玲麗[12]等利用粉煤灰制備透水磚，試件尺寸為100 mm×100 mm×40 mm，試驗(yàn)表明成型壓力對(duì)透水磚的力學(xué)性能和透水性能有重要影響。

c.建筑垃圾為主要原料。

建筑物和構(gòu)筑物的新建、拆除、修繕等過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾，常見(jiàn)的類型有渣土、混凝土塊、砂漿、磚石等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑垃圾在城市總垃圾中的占比高達(dá)1/3～2/5，其運(yùn)輸和堆放消耗了大量資源，由此產(chǎn)生的粉塵污染和土壤污染也不容忽視。陳金桂[13]在研制透水磚時(shí)，將建筑垃圾紅磚和鋼渣總含量控制在60%以上，分別使用水玻璃、糊精作低溫黏結(jié)劑，經(jīng)1 000 ℃高溫?zé)Y(jié)后磚體抗壓強(qiáng)度達(dá)到32.3 MPa，透水系數(shù)為0.39mm/s，具有優(yōu)異的耐磨性能，且該透水磚在承受25次凍融循環(huán)后仍能保持抗壓強(qiáng)度不低于27.9 MPa。

2.2 非陶瓷透水磚

a.砂基透水磚。

砂基透水磚是以硅砂或風(fēng)積砂為主要骨料，利用有機(jī)黏結(jié)劑粘結(jié)，經(jīng)免燒結(jié)工藝制成。沙粒堆積形成的孔隙是實(shí)現(xiàn)透水功能的基礎(chǔ)，也為透水磚兼顧透水性和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。此外，以沙漠中的沙土為主要原料，可減少河砂開(kāi)采，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。在砂基透水磚的粘結(jié)方面，已有研究以環(huán)氧樹(shù)脂、水泥基為黏結(jié)劑，或以水玻璃為黏結(jié)劑、氯化鋁為固化劑。徐向舟[14]等以P.O 52.5號(hào)水泥作為黏結(jié)劑，研制出一種在磚體上預(yù)制透水孔的砂基透水磚，如圖2所示。在保證磚體強(qiáng)度、透水性、保水性和環(huán)保性的前提下，該透水磚造價(jià)為60～100元/m2，遠(yuǎn)低于同類砂基透水磚造價(jià)的220元/m2。

圖2 多孔混凝土砂基透水磚構(gòu)造圖(單位：mm)

b.混凝土透水磚。

混凝土透水磚與普通混凝土的區(qū)別在于：它采用特殊級(jí)配集料，將其用水泥漿體包裹，通過(guò)膠結(jié)劑和特定工藝制成，內(nèi)含大量的連通孔隙。楊靜[15]為提高透水混凝土磚體的承載力，對(duì)骨料粒徑、礦物摻合料和有機(jī)增強(qiáng)的影響進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明：同時(shí)摻入6%的硅灰和高效減水劑，混凝土強(qiáng)度可以提高60%以上，磚體抗壓強(qiáng)度超過(guò)了35.5 MPa，透水系數(shù)為2.9 mm/s?；炷镣杆u和砂基透水磚均屬于免燒結(jié)類，生產(chǎn)能耗低，經(jīng)濟(jì)效益好，適合于在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)進(jìn)行推廣，是透水磚材料發(fā)展的重要方向。

綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)5類透水磚已開(kāi)展了相應(yīng)的研究和應(yīng)用實(shí)踐，不同類型透水磚在原材料、制備方式、抗壓強(qiáng)度、透水性能等方面存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和環(huán)境條件，如何選用最優(yōu)化的使用方案將會(huì)成為未來(lái)透水磚研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 透水磚應(yīng)用存在的問(wèn)題

3.1 透水鋪裝設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)硬化路面只考慮路基的穩(wěn)固性，而透水鋪裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和地下水文條件等多個(gè)方面，SWAN[16]等結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水文設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，提出透水磚在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮路面荷載、地基承載力和水文環(huán)境條件等因素，以適應(yīng)不同的環(huán)境需求。李俊奇[17]等以透水磚鋪裝為例，探討了承載能力、滲透能力以及滯蓄能力在設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題和設(shè)計(jì)參數(shù)?！锻杆u路面技術(shù)規(guī)程(CJJ/T 188-2012)》[18]明確規(guī)定透水磚路面結(jié)構(gòu)應(yīng)包括面層、找平層、基層和墊層等(見(jiàn)圖3)，并對(duì)每一鋪裝層提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。透水磚路面可應(yīng)用于人行道、小區(qū)、公園道路等，不同場(chǎng)合對(duì)承載能力、滲透能力和滯蓄能力的要求各不同。因此，透水磚路面的結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)需根據(jù)應(yīng)用的環(huán)境確定[19]，表1總結(jié)了3種透水磚路面的結(jié)構(gòu)層構(gòu)造方案，其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型路面分別適用于小區(qū)道路、市政人行道路和小區(qū)步行道。目前國(guó)內(nèi)研究側(cè)重于透水磚產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制備與性能分析，而對(duì)基層和墊層等下承層缺乏深入探究，從鋪裝面層到土基的各個(gè)結(jié)構(gòu)層都需達(dá)到其功能要求，才能形成良好的滲、滯、蓄、排等通道，構(gòu)建“降雨-徑流-下滲-回用”的良性循環(huán)。因此，后期需要側(cè)重透水磚路面下承層材料設(shè)計(jì)與施工工藝的研究。

圖3 透水磚鋪筑構(gòu)造

表1 透水磚路面結(jié)構(gòu)構(gòu)造方案[19]Table 1 Schemes of pervious brick pavement structure[19]結(jié)構(gòu)層Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型面層透水磚透水磚透水磚找平層干硬性水泥砂漿或中粗砂干硬性水泥砂漿或中粗砂干硬性水泥砂漿或中粗砂基層透水水泥混凝土級(jí)配碎石中粗砂或級(jí)配砂礫底基層級(jí)配碎石——土基壓實(shí)土基壓實(shí)土基壓實(shí)土基

3.2 透水磚路面的堵塞和維護(hù)

透水磚作為一種路面材料，長(zhǎng)期的荷載和摩擦?xí)?duì)磚體表面產(chǎn)生一定損傷，而且雨水徑流中會(huì)夾雜泥沙、污質(zhì)等沉積物，極易堵塞孔隙，降低滲透效率。已有研究表明透水路面孔隙的堵塞不僅影響其滲透性能，而且會(huì)顯著縮短其使用壽命，當(dāng)路面使用時(shí)間達(dá)到10 a時(shí)，其滲透率僅為最初滲透率的1/4至1/10，這一定程度上加大了“海綿城市”推廣應(yīng)用的難度[20-22]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者從時(shí)間歷程、堵塞位置和堵塞顆粒物粒徑等方面對(duì)透水鋪裝系統(tǒng)的堵塞規(guī)律展開(kāi)了研究[23-27]。BOOGAARD[25]等對(duì)荷蘭和澳大利亞的55處使用時(shí)間1～12 a的透水路面進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明路面滲透率與其使用年限存在衰減關(guān)系。LUCKE[26]等發(fā)現(xiàn)對(duì)于聯(lián)鎖混凝土磚透水路面，超過(guò)90%的顆粒沉積物都堵塞在面層和墊層骨料孔隙之間。劉嘉豪[27]等通過(guò)對(duì)透水系數(shù)歷時(shí)曲線進(jìn)行分析，指出透水磚堵塞過(guò)程可分為顆粒截留的迅速堵塞、水流沖刷的小幅恢復(fù)和顆粒逐漸粘結(jié)的慢速堵塞3個(gè)階段。堵塞速度與透水磚孔隙率、進(jìn)水水位等因素有關(guān)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的堵塞，滲透系數(shù)最終達(dá)到穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)透水磚堵塞規(guī)律進(jìn)行研究，可以提高對(duì)透水磚維護(hù)需求和維護(hù)方法的認(rèn)識(shí)。

定期清理和維護(hù)是保證透水鋪裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自然滲透和雨水循環(huán)功能的必要環(huán)節(jié)，也是延長(zhǎng)其使用壽命的重要措施。目前常用的清理方式有清掃、高壓水沖洗和真空抽吸等。機(jī)械清掃和人工清掃均只能清除道路表面的可見(jiàn)污染物，防止其經(jīng)過(guò)碾壓深入下層孔隙。透水磚堵塞可分為表面堵塞和內(nèi)部堵塞，用配置的懸濁液模擬雨水徑流可使磚體滲透率下降幅度達(dá)到96%，采用虹吸法和反向注水法處理堵塞，發(fā)現(xiàn)高壓水洗僅能清除磚體表面沉積物，磚體滲透性恢復(fù)不明顯[28]。李美玉[29]等基于北京近30 a的實(shí)際降雨量和顆粒污染濃度，模擬透水鋪裝的堵塞程度，結(jié)果表明真空抽吸塵的效果優(yōu)于高壓沖洗，并提出更新找平層會(huì)取得更好的恢復(fù)效果。由圖4可見(jiàn)，3種清理方式下(不清理、真空抽吸塵和壓力水沖洗)舊磚的滲透率分別為新磚的14%、53.7%、20.6%。已有研究表明，無(wú)論采用何種清理維護(hù)方式都不能完全恢復(fù)路面的透水性能，并且已有研究主要涉及不同清理方式對(duì)透水磚滲透性能恢復(fù)的影響，并未針對(duì)不同環(huán)境條件提出合理的維護(hù)周期、水壓負(fù)壓范圍以及透水磚路面的使用年限等?？紫抖氯?guī)律、堵塞預(yù)防和維護(hù)研究將成為透水磚鋪裝系統(tǒng)的重點(diǎn)研究方向。

圖4 不同清理方式下舊磚的滲透速率比較

近年來(lái)，利用太陽(yáng)光產(chǎn)生催化還原作用，分解磚體表面和孔隙污物的自清潔透水磚成為新興研究熱點(diǎn)。南京優(yōu)凝舒布洛克公司利用納米二氧化鈦與爐渣水泥按比例混合壓制成了自潔式透水磚，在此基礎(chǔ)上，荊揚(yáng)揚(yáng)[30]提出以固體廢棄物為主要原料，采用負(fù)壓法將納米二氧化鈦前驅(qū)體負(fù)載至透水磚孔隙中，制備光催化性能較好的自清潔透水磚。

4 結(jié)論與展望

透水磚鋪裝作為一種緩解城市內(nèi)澇壓力，維持開(kāi)發(fā)區(qū)域水系統(tǒng)平衡的低沖擊開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，具備良好的生態(tài)效益和廣闊的發(fā)展前景，是建設(shè)海綿城市的重要手段。綠色環(huán)保、性價(jià)比高的砂基透水磚和混凝土透水磚將會(huì)擁有更加廣闊的市場(chǎng)前景。今后在進(jìn)行研發(fā)和工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮整個(gè)透水鋪裝系統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、排水蓄水設(shè)計(jì)和施工工藝等，加強(qiáng)透水磚堵塞規(guī)律、長(zhǎng)期服役與維護(hù)、新材料等方面的研究，讓透水磚在實(shí)際工程中得到更好的應(yīng)用。